《焊接應力與應變》word版

1、 焊接應力與變形 焊接是現(xiàn)代生產(chǎn)中應用很廣泛的一種連接金屬加工方法，與其它熱加工相比，它具有生產(chǎn)周期短，成本低，結構設計靈活，用材合理以及能以大化小等一系列優(yōu)點，從而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應用，如造船、 電站、 汽車石油、 橋梁、 礦山機械等行業(yè)，焊接已成為不可缺少的加工手段。在世界主要的工業(yè)國家里，每年鋼產(chǎn)量的左右要用于生產(chǎn)焊接結構。隨著工業(yè)的發(fā)展，被焊接的材料種類越來越多，焊接結構越來越復雜，焊接工作量越來越大，這對于生產(chǎn)的質量效率等提出了更高的要求。但是在焊接過程中，焊接應力和焊接變形是不可避免的，焊接應力不僅對結構質量和使用性能有一定影響，而且焊接應力過大，可使構件產(chǎn)生裂縫，甚至導致斷

2、裂。 焊接變形超過允許值，有時要經(jīng)過矯正才能滿足使用要求，有時因矯正無效而報廢，因此，隨著工業(yè)的發(fā)展，焊接材料的增多，各類產(chǎn)品的日益向高參數(shù)大型化發(fā)展，研究焊接應力與焊接變形具有特別重要的意義。 1焊接應力、 變形原因分析 焊接過程的實質是利用加熱或加壓等手段借助于金屬原子的結合與擴散作用，使分離的金屬材料牢固地連接起來。手工電弧焊是利用焊條與工件之間產(chǎn)生的電弧熱，將工件和焊條熔化而進行焊接的。 在焊接過程中，電弧在焊條與被焊工件之間燃燒，電弧熱使工件和焊條同時熔化形成熔池。焊接時，電弧沿工件逐漸移動并對工件進行局部加熱，因此在焊接過程中，焊縫區(qū)的金屬都是由常溫狀態(tài)下被加熱到較高的溫度，然后再

3、逐漸冷卻到常溫，但隨各點金屬所在位置的不同，其最高加熱溫度是不同的，因此，在焊接過程中各點都相當于受到一次不同程度的熱處理，因而必然有相應的組織與性能變化。 焊接熱影響區(qū)的大小和組織性能變化程度決定于焊接方法、 焊接規(guī)范、 焊接形式，焊后冷卻速度等因素。焊接熱影響區(qū)在焊接過程中是不可避免的，用手工電弧焊，焊接一般低碳鋼結構時，熱影響區(qū)較窄，危害較小，焊后不進行熱處理就能保證使用；但對于重要的鋼結構，要用焊后熱處理的方法以消除焊接熱影響區(qū)；對焊后不能接受熱處理的金屬材料或構件，則只能正確選擇焊接方法與焊接工藝來減少焊接熱影響區(qū)的范圍，以減少不利影響與危害。焊接過程中對焊件進行了局部的不均勻的加熱

4、是產(chǎn)生焊接應力與變形的根本原因，焊接時，焊縫區(qū)被加熱到很高的溫度，離焊縫愈遠被加熱的溫度愈低，根據(jù)金屬材料熱脹冷縮的特性，焊接各區(qū)因溫度不同將產(chǎn)生大小不等的縱向膨脹，各區(qū)域的金屬能自由地伸長而不受周圍金屬的阻礙，但鋼板是一個整體，這種伸長不能自由地實現(xiàn)，鋼板端面只能比較均衡地伸長，于是被加熱到高溫的焊縫區(qū)金屬因受兩邊金屬的阻礙而產(chǎn)生壓應力，遠離焊縫區(qū)的金屬則受拉應力，該區(qū)域就產(chǎn)生了壓縮塑性變形。2 減小焊接應力的方法措施 在實際生產(chǎn)中，最有效的減少內(nèi)應力的方法是焊前預熱，預熱溫度一般在350-400 ，預熱可使焊縫部分金屬和周圍的溫差減小，焊后又可以緩慢地收縮，可顯著減少焊接應力。 如果沒有預

5、熱條件，也可以利用錘擊焊縫來減小殘余應力。實踐證明，錘擊焊縫區(qū)，應力可減小1/2-1/4 ，但錘擊溫度必須維持在100-150或400以上，要避免在200-300之間，因為此時金屬處于蘭脆階段，錘擊焊縫容易斷裂。多層焊時，除第一層和最后一層焊縫外每層都要錘擊，第一層不錘擊是為了避免根部裂縫，最后一層不錘擊是為了防止由于錘擊而引起的冷作硬化。最常見的也是最有效的消除內(nèi)應力的方法是對工件進行高溫回火，即將工件均勻加熱到600-650，保溫一定時間（不少于1小時）然后緩慢冷卻。 同一種材料回火溫度越高，時間越長應力消除的越徹底。一般通過整體高溫回火可將80-90以上的殘余應力消除掉。 此外，還可用機

6、械拉伸法，焊后對焊件進行加載拉伸，產(chǎn)生拉伸塑性變形，它的方向和壓縮殘余變形相反，以減少壓縮殘余變形，從而減少殘余應力。對于焊縫比較規(guī)則厚度不大于40mm 的板殼結構也可用溫差拉伸法，即將焊縫兩側加熱到150-200，然后用水冷卻，使焊縫區(qū)域受到拉伸塑性變形以消除縱向殘余應力。對于碳素鋼、 不銹鋼件也可對焊縫區(qū)域施加振動載荷，振源與結構發(fā)生穩(wěn)定共振，利用穩(wěn)定共振的變載應力，使焊縫區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，以達到消除內(nèi)應力的目的。3 預防焊接變形的方法措施 為了減少與防止變形，應盡可能采取合理的結構形式，在保證結構有足夠承載能力的情況下，盡可能減少焊縫數(shù)量、 焊縫長度及焊縫面積；厚件應盡可能兩面開坡口進行

7、焊接；使結構中所有焊縫盡量處于對稱位置，避免密集或交叉；盡量利用型材，沖壓件代替板材拼焊，以減少焊縫數(shù)量。采取必要的工藝措施，反變形法，用經(jīng)驗和計算法預先斷定焊后可能發(fā)生的變形大小和方向，將工件安置在相反方向的位置上，或在焊前使工件反方向變形，以抵消焊后所發(fā)生的變形。在焊件上加上一些收縮余量以補充焊后的收縮，通常為0.1-0.3，對于一些塑性較好的低碳鋼，可以用簡單的夾具或剛性支撐或專用胎具夾具使焊后變形大大減少；對于淬硬性較大的鋼材及鑄鐵不能使用，以免焊后斷裂。 此外，還可以對物件設計合理的焊接次序，如對稱物件應設計使焊縫收縮相互抵消或減弱。為了減少焊接變形常用 “逆向分段焊法” 即把長焊縫分成150-200mm的小段，分段進行焊接，每一段都朝著與總方向相反的方向施焊，還可以采用散熱法將焊件的熱量散走，使受熱面積大為減少，從而達到減少變形的目的。除正確選擇焊接工藝